华科热力学蒸汽动力装置循环

1、第十一章 蒸汽动力循环水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电动力循环：以获得功为目的2022/9/241第一页，共五十四页。蒸汽动力循环循环中工质偏离液态较近，时而处于液态，时而处于气态，因而对蒸汽动力循环的分析必须结合水蒸气的性质和热力过程。由于水和水蒸气均不能燃烧而只能从外界吸热，必需配备制备蒸汽的锅炉设备，因而装置的设备也不同。“外燃动力装置”。燃烧产物不参与循环，因此蒸汽动力装置可以使用各种常规的固体、液体、气体燃料及核燃料，可以利用劣质煤和工业废热，还可以利用太阳能和地热等能源，这是这类循环的一大优点。2022/9/242第二页，共五十四页。2022/9/

2、243第三页，共五十四页。2022/9/244第四页，共五十四页。2022/9/245第五页，共五十四页。Well simplify the power plant2022/9/246第六页，共五十四页。11.1 蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环 蒸汽动力装置由以下基本设备:锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵 按图中所示标号4-5-6-1给水在锅炉中定压加热形成为过热蒸汽； 1-2过热蒸汽（新蒸汽）在汽轮机中绝热膨胀作功； 2-3乏汽在凝汽器中定压凝结，成为凝结水； 3-4凝结水由给水泵绝热压缩成给水，返回到锅炉中 冷却水汽轮机锅炉给水泵凝汽器234561联接构成蒸汽动力装置 蒸汽动力装置中水蒸气经

3、历的基本循环过程可理想化为： 2022/9/247第七页，共五十四页。sT4321t1P1 理想化的蒸汽动力装置基本循环是朗肯循环 1(P1,t1)进入汽轮机时的新蒸汽（过热汽）状态； 2(P2)从汽轮机排出时的乏汽（湿蒸汽）状态； 1-2蒸汽在汽轮机中绝热膨胀（定熵）的作功过程； 2-3乏汽在凝汽器中定压（定温）凝结放热过程； 3凝结水（饱和水）状态(P2) ； 3-4凝结水在给水泵中绝热压缩（定熵）成为锅炉给水； 由于水几乎不可压缩，垂直线段3-4几乎重合成为一点2022/9/248第八页，共五十四页。4-5给水在锅炉省煤器中定压加热成饱和水 (P1 ts) ；5-6水在锅炉水冷壁中定压加

4、热成为饱和汽 (P1 ts)；6-1饱和汽在过热器中定压加热成为新蒸汽 (P1 t1)。（ 4-5-6-1给水在锅炉中定压加热成新蒸汽）65 4给水（未饱和水）状态(P1) ；朗肯循环sT4321t1P12022/9/249第九页，共五十四页。给水4(P1, h2)省煤器饱和水5(P1, ts)饱和汽6(P1, ts)水冷壁过热器过热汽1(P1, t1)（新蒸汽）汽轮机绝热膨胀乏汽2(P2, h2)凝汽器定压放热凝结水3(P2, h2)给水泵绝热压缩给水4蒸汽动力装置朗肯循环的路径：定压加热定压加热定压加热6sT54321t1P1朗肯循环（重新循环）2022/9/2410第十页，共五十四页。s

5、P4213PPs56hs132456 朗肯循环的P-v图和h-s图P-v图h-s 图sPPs2022/9/2411第十一页，共五十四页。6sT54321t1P1 蒸汽动力装置为什么不采用卡诺循环 平均吸热温度 朗肯循环1234561 平均放热温度 朗肯循环1234561的热效率 同温限的卡诺循环123414q41q41123411234561定温吸热过程41难于实现过热蒸汽不采用卡诺循环2022/9/2412第十二页，共五十四页。两相压缩过程35难于实现6sT54321t1P1232湿度太大对汽轮机工作不利wnet小 若以饱和汽为工质实行卡诺循环62356若P1较低热效率反而不如朗肯循环蒸汽动

6、力装置不采用卡诺循环2022/9/2413第十三页，共五十四页。蒸汽卡诺循环？Low thermal efficiencyCompressor and turbine must handle two phase flowsThe Carnot cycle is not a suitable model for vapor power cycles because it cannot be approximated in practice.2022/9/2414第十四页，共五十四页。 朗肯循环的热效率 朗肯循环吸热和放热过程是定压的循环的吸热量循环的放热量朗肯循环的热效率汽轮机输出的技术功给水泵

7、消耗的技术功sT4321t1P1562022/9/2415第十五页，共五十四页。 水泵消耗的技术功远小于汽轮机作出的技术功h4=h3=h2wt,B=h4h30汽轮机输出的技术功给水泵消耗的技术功 一般占0.81%不计给水泵消耗的技术功sT4321t1P1562022/9/2416第十六页，共五十四页。 影响朗肯循环热效率的因素根据状态参数关系 不计给水泵消耗的技术功时，朗肯循环热效率t,R受P1、P2、t1控制h1= f (P1,t1)h2= f (P2)h2= f (P2) P2、t1不变，将初压P1提高t,R会有较显著的提高乏汽干度x2会降低乏汽干度x2不得小于0.86P1sT112342

8、t1P1P1提高初压力的影响 平均吸热温度明显提高对机器的强度要求提高56562022/9/2417第十七页，共五十四页。 热效率与初压的关系 2022/9/2418第十八页，共五十四页。P1、P2不变，将初温 t1提高t,R会有较显著的提高乏汽干度x2会提高同时提高P1、 t1是方向提高初温的影响P11432t1sTt112t1 平均吸热温度明显提高金属耐热要求提高对机器的强度要求提高目前可应用的t1为55056汽机出口尺寸增大 提高初温的结果相当于在原循环1234561基础上附加循环112212022/9/2419第十九页，共五十四页。热效率与初温的关系 2022/9/2420第二十页，共

9、五十四页。P1、t1不变，将终压P2降低wt,T增大 P2目前实际已采用至3.5 4kPa，对应的饱和温度为27 33限于循环水的温度，已基本达到极限低值sT12342t1P1降低终压力的影响34P2对t,R总是有利略有下降；56 冬天循环水温较低，循环热效率较高下降明显2022/9/2421第二十一页，共五十四页。热效率与终压的关系 2022/9/2422第二十二页，共五十四页。蒸汽参数对循环热效率的影响归纳 1.提高蒸汽p1、T1、降低p2可以提高循环的热效率，因而现代蒸汽动力循环都朝着采用高参数、大容量的方向发展。 2. 提高初参数p1、T1后，因循环热效率增加而使动力厂的运行费用下降。

10、但由于高参数的采用，设备的投资费用和一部分运行费用又将增加，因而在一般中小型动力厂中不宜采用高参数。究竟多大容量采用多高参数方为合适，须经全面地比较技术经济指标后确定。 2022/9/2423第二十三页，共五十四页。3. 尽管采用较高的蒸汽参数，但由于水蒸汽性质的限制，循环吸热平均温度仍然不高，故对蒸汽动力循环的改进主要集中于对吸热过程的改进，即采用种种提高吸热平均温度的措施。 蒸汽参数对循环热效率的影响归纳(续) 2022/9/2424第二十四页，共五十四页。表11-1 国产锅炉、汽轮机发电机组的初参数简表低参数中参数高参数超高参数亚临界参数汽轮机进汽压力（MPa）1.33.5913.516

11、.5汽轮机进汽温度（）340435535550,535550,535发电机功率 （P/ kW）15003000600025000510万12.5万,20万20万，30万，60万2022/9/2425第二十五页，共五十四页。 汽轮机的相对内效率和汽耗率实际的汽轮机内部过程是不可逆的汽轮机的相对内效率（定熵效率）汽耗率Steam Rate (d) 单位为kg/J,kg/kJ,也使用kg/(kWh)为单位 不计给水泵耗功时，若理想汽轮机的输出功率为P0kW，耗汽率为Dkg/s，两者有以下关系：理想汽耗率 装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量The mass of steam used to perfor

12、m a unit of work.P11432s2t1sT实际的基本循环2022/9/2426第二十六页，共五十四页。相对于汽轮机的实际输出功率实际汽耗率 因此实际蒸汽动力装置整体上讲尚需考虑锅炉的热损失锅炉效率B管道的热损失管道效率tu 实际蒸汽动力装置循环的热效率t=t,RBtuT2022/9/2427第二十七页，共五十四页。例5-1一简单蒸汽动力装置循环(即朗肯循环)，蒸汽的初压P1 = 3 MPa，终压P2 = 6 kPa，初温分别为300和500 。试求不同初温时循环的热效率t、耗汽率d及蒸汽的终干度x2，并将所求得的各值填入下表内，以比较所求得的结果。 解：P1=3 MPa（过热汽

13、）t1=300 h1=2992.4 kJ/kg s1=6.5371 kJ/(kgK)t1=500 h1=3454.9 kJ/kg s1 =7.2314 kJ/(kgK)P2=6 kPa的饱和参数：s=0.5209 kJ/(kgK)，s=8.3305 kJ/(kgK)h=151.50 kJ/kg， h=2567.1 kJ/kg P11432t1sTt112忽略水泵功耗。查水蒸气表得：2022/9/2428第二十八页，共五十四页。具体计算如下： P11432t1sTt1122022/9/2429第二十九页，共五十四页。计算结果汇总： t1，300500t0.34460.3716d，kg/J1.02

14、151060.8146106x20.77080.85932022/9/2430第三十页，共五十四页。11.2 蒸汽动力装置再热循环 带再热的蒸汽动力装置 再热蒸汽在汽轮机中工作至某一中间压力后重新送回到锅炉的再热器中加热，然后再引回汽轮机中继续作功，或称重热 一次汽再热前的蒸汽二次汽再热后的蒸汽一般都再热至初温；理论上可进行多次再热，但实际只有12次再热冷却水汽轮机锅炉给水泵凝汽器带再热的蒸汽动力装置234561(再热器)(过热器)二次汽一次汽ab 以朗肯循环为基础2022/9/2431第三十一页，共五十四页。 蒸汽动力装置再热循环 设一次汽的参数为P、t，中间再热压力为Pb，再热至初温 t工

15、质循环路径：一次汽1(P, t)再热器过热汽1(P, t)（新蒸汽）凝结水3(P2, h2)给水泵绝热压缩给水4定压加热（新蒸汽）汽轮机前缸绝热膨胀前缸排汽a(Pa)1-a一次汽在汽轮机前缸中绝热膨胀作功 (h1 ha) ；a-b蒸汽在锅炉再热器中定压再热，吸热 (hb ha)；b-2二次汽在汽轮机后缸中绝热膨胀作功 (hb h2) ；sTb1atP2c34蒸汽动力装置再热循环二次汽b(Pa, t)汽轮机后缸绝热膨胀乏汽2(P2, h2)凝汽器定压放热（循环）2022/9/2432第三十二页，共五十四页。 再热循环的热效率 忽略给水泵的功耗时，再热循环输出的功为一次汽和二次汽在汽轮机中所作的技

16、术功之和 对于具有1次再热的蒸汽动力循环 循环的吸热量为蒸汽分别在锅炉的过热器和再热器中所吸热量之和 再热循环的热效率为 一次汽作的功二次汽作的功一次汽吸的热量二次汽吸的热量sTb1atP2c342022/9/2433第三十三页，共五十四页。再热措施能否提高循环的热效率取决于中间压力 存在着一个最佳的中间再热压力再热的目的不全在于靠其直接提高循环的热效率 无再热时乏汽的状态为c；有再热时乏汽的状态为2x2xc 与Pa有关 再热的目的更重要地还在于它能提高汽轮机乏汽的干度，从而为提高初压力创造条件 此外，乏汽干度提高对汽轮机的内部效率有利sTb1atP2c34 精心设计的再热循环有望直接提高循环

17、热效率4% 5% (23.5%)2022/9/2434第三十四页，共五十四页。 蒸汽再热循环的实践P1600，P125MPa (超临界机组)系统复杂，初投资增加 再热也带来一些负面影响锅炉、汽轮机结构复杂化100、125、200、300 MW，P113.5MPa 一次再热 二次再热2022/9/2435第三十五页，共五十四页。例5-2(习题11-3部分)蒸汽动力装置再热循环，蒸汽的初参数为P1=12 MPa、t1=450，终压为P2=0.004 MPa。再热时蒸汽的压力为0.5 MPa，再热后蒸汽的温度为400。试确定该再热循环的热效率和终湿度，将所得的热效率、终湿度和朗肯循环作比较，并在 T

18、-s图上画出该再热循环。附水蒸气表（节录） 饱和水蒸气表 P, MPah, kJ/kg,h, kJ/kgs, kJ/(kgK)s, kJ/(kgK)0.004121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215过热水蒸气表 t, 0.5， MPa12MPah, kJ/kgs, kJ/(kgK)h, kJ/kgs, kJ/(kgK)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322022/9/2436第三十六页，共五十四页。sT1234解： 由水蒸气表查得： P2=4 kPa 时 s=0.

19、4224 kJ/(kgK) s=8.4747 kJ/(kgK) h=121.41 kJ/kg h=2554.1 kJ/kg, P1=12 MPa t1=450 h1=3209.9 kJ/kg s1=6.3032 kJ/(kgK) 题给再热后（设为b，过热汽）Pb=0.5 MPa tb=400 hb=3271.8 kJ/kg sb=7.7944 kJ/(kgK) 2022/9/2437第三十七页，共五十四页。sT1234bcaP=0.5MPa 时 s=1.8604 kJ/(kgK) s=6.8215 kJ/(kgK) h=640.1 kJ/kg h=2748.5 kJ/kg, 已知再热时的状态（设为a）Pa = 0.5 MPasa值在s与s之间，故知a点为湿蒸汽状态sa = s1 = 6.3032 kJ/(kgK) 并且 2022/9/2438第三十八页，共五十四页。由此ha=xah+(1-xa)h =0.89552748.5+(1 0.8955)640.1 =2528.17 kJ/kg 由于h2= x2h2+(1-x2)h2 =0.73032554.1+(10.7303)121.41=1